PENAMPANG BALOK TEREDUKSI (REDUCED BEAM SECTION) DALAM PERATURAN BAJA STRUKTURAL INDONESIA UNTUK GEDUNG SNI xx. Suradjin Sutjipto 1

Transkripsi

1 PENAMPANG BALOK TEREDUKSI (REDUCED BEAM SECTION) DALAM PERATURAN BAJA STRUKTURAL INDONESIA UNTUK GEDUNG SNI xx Suradjin Sutjipto 1 1 Jurusan Teknik Sipil, FTSP, Universitas Trisakti, Jl. Kiyai Tapa No. 1, Jakarta suradjin@ssi-web.com ABSTRAK Penampang Balok Tereduksi (PBT) merupakan salah satu inovasi dalam perancangan gedung baja struktural tahan gempa setelah terjadinya gempa Northridge tahun 1994, yang memastikan konsep strong column - weak beam dapat terjadi sebagai mana mestinya. Pada dasarnya, balok baja struktural diperlemah dalam arti yang sebenarnya dengan mereduksi dimensi sayap-sayapnya agar sendi plastis terbentuk di lokasi yang sedikit jauh dari muka kolom sehingga kegagalan pada sambungan balok ke kolom dapat terhindari. Persyaratan dan ketentuan perancangan PBT diatur dalam ANSI/AISC /358s Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications, yang telah diadopsi sebagai bagian ketiga dari Peraturan Baja Struktural Indonesia untuk gedung yang baru, SNI xx, yang akan diterbitkan dalam waktu dekat ini. Makalah ini akan memaparkan persyaratan desain dan detail-detail dari PBT disertai dengan penjelasan latar belakangnya. Kata kunci: Penampang Balok Tereduksi (PBT), gedung baja struktural tahan gempa, sambungan terprakualifikasi, SNI xx. 1. PENDAHULUAN Gempa Northridge 17 Januari 1994 sungguh membuka mata semua ahli struktur. Gempa tersebut memperlihatkan bahwa sambungan kaku balok-kolom pada rangka penahan momen struktur baja mengalami kerusakan di luar mekanisme yang diyakini oleh semua ahli sampai saat itu. Hasil survey sambungan balok-kolom pada 2,066 rangka struktur baja (8,675 sambungan dilakukan secara visual dan 7,812 sambungan dilakukan dengan menggunakan ultrasonic test), menunjukkan kegagalan tipikal terjadi sebesar 50% pada sambungan las di sayap balok bagian bawah, 18% pada sambungan las di sayap balok bagian atas, 15% pada sayap kolom di bagian pertemuan dengan sayap balok bagian bawah. Pada beberapa sambungan terjadi sobekan vertikal di badan balok di sepanjang deretan baut penahan. Gambar 1 memperlihatkan berbagai kondisi kegagalan tersebut. Intinya kegagalan terjadi pada sambungan, bukan pada balok akibat mekanisme sendi plastis. Berbagai kiat dilakukan untuk memperbaiki kinerja sambungan kaku balok-kolom pada rangka penahan momen struktur baja. Diantaranya dengan menambah pelat pengganda di atas dan di bawah sayap balok (Gambar 2a), menambah pelat pengaku segi tiga di atas dan di bawah sayap balok (Gambar 2b), dan menambah pelat samping yang menghubungkan sayap balok bagian atas dan bawah membentuk penampang boks (Gambar 2c). Alih-alih memperkuat sambungan, muncul ide memperlemah balok dengan mencoak sebagian dari sayap atas dan bawahnya, sedikit menjauh dari muka kolom, memaksa terjadi sendi plastis di bagian itu dan menyelamatkan sambungan las dan baut antara balok dan kolom. Ide ini terus dikembangan dan dikonfirmasi perilakunya melalui uji-uji siklik. Berbagai varian dibuat, mulai dari bentuk coakan poligon, dog bone dari Arbed Histar (Gambar 2d dan 3), sampai bentuk radius yang diterima oleh AISC 358 Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications (Gambar 4), yang kemudian diadopsi dalam bagian ketiga dari Peraturan Baja Indonesia SNI xx. Mengantisipasi penggunaan struktur baja yang kian banyak untuk gedung-gedung tinggi tahan gempa di Indonesia, dan akan berlakunya Peraturan Baja Indonesia SNI xx sebentar lagi, makalah ini ingin mensosialisasikan ketentuan-ketentuan dan persyaratan-persyaratan dalam perancangan Penampang Balok Tereduksi (PBT) atau Reduced Beam Section (RBS) yang merupakan salah satu sambungan yang sudah KoNTekS 6 S-73

2 Struktur terprakualifikasi sebagai sambungan handal untuk rangka penahan momen khusus dan menengah baja struktural gedung tahan gempa. Gambar 1. Kegagalan sambungan balok-kolom pada rangka momen baja akibat gempa Northridge. (a) (b) (c) (d) Gambar 2. Kiat-kiat memperkuat sambungan balok-kolom pada rangka momen baja setelah gempa Northridge, (a) pelat pengganda, (b) pelat pengaku, (c) pelat samping sistem MNH dan (d) sistem dog bone dari Arbed. S-74 KoNTekS 6

3 Gambar 3. Prototipe Penampang Balok Tereduksi (PBT) dalam berbagai pengujian. 2. PENAMPANG BALOK TEREDUKSI SNI xx Ketentuan, persyaratan dan prosedur perancangan Penampang Balok Tereduksi (PBT) atau Reduced Beam Section (RBS), diatur dalam Bab 5 di Bagian Ketiga SNI xx, yang terdiri dari 8 pasal. (a) (b) Gambar 4. Penampang Balok Tereduksi (PBT) dalam SNI xx. Seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 4a, bagian atas dan bawah sayap balok dicoak sedikit di depan sambungan balok-kolom. Coakan ini dimaksudkan untuk memperlemah penampang balok sehingga mengurangi besarnya momen dan deformasi inelastis di muka kolom. Dengan demikian, pelelehan balok (pembentukan sendi plastis) terjadi di situ dan sambungan balok-kolom dapat terlindungi dari kerusakan. Sistem sambungan PBT termasuk dalam kategori sambungan terprakualifikasi untuk penggunaannya dalam sistem Rangka Momen Khusus (RMK) dan Rangka Momen Menengah (RMM) baja untuk bangunan gedung tahan gempa melalui banyak pengujian, dengan berbagai variasi, oleh para peneliti dari institusiinstitusi di seluruh dunia, terutama di Amerika Serikat dan Jepang. KoNTekS 6 S-75 Universitas Trisakti, Jakarta 1-2 November 2012

4 3. PERSYARATAN BALOK PBT Menurut Pasal 5.3 SNI xx, berdasarkan rekomendasi Connection Prequalification Review Panel (CPRP), balok PBT harus memenuhi persyaratan sebagai berikut: Balok harus berupa profil WF gilas standar atau profil I tersusun yang ekuivalen yang memenuhi syarat Pasal 2.3 Bagian Ketiga SNI xx, dengan seri tinggi penampang maksimum 920 mm, berat per satuan panjang maksimum 447 kg/m 1 dan tebal sayap maksimum 44 mm. Rasio bentang bersih/tinggi penampang balok harus minimum 7 untuk Rangka Momen Khusus dan minimum 5 untuk Rangka Momen Menengah. Rasio lebar/tebal untuk sayap dan badan balok harus memenuhi persyaratan SNI Ketentuan Seismik untuk Bangunan Gedung Baja Struktural, dengan nilai b f minimum selebar sayap pada ujung-ujung bagian 2/3 tengah dari penampang tereduksi di mana beban gravitasi tidak menggeser lokasi sendi plastis secara signifikan dari pusat penampang balok tereduksi. Pengekang lateral (lateral bracing) pada balok harus mengacu pada ketentuan SNI Ketentuan Seismik untuk Bangunan Gedung Baja Struktural. Pengekang lateral tambahan harus ada di dekat penampang tereduksi memenuhi ketentuan pengekang lateral di dekat sendi plastis pada SNI Ketentuan Seismik untuk Bangunan Gedung Baja Struktural, yang pengikatannya ke balok harus ditempatkan maksimum d/2 dari ujung penampang balok tereduksi yang terjauh dari muka kolom, dan tidak boleh berada di daerah antara muka kolom dan akhir dari penampang tereduksi yang terjauh dari muka kolom. Gambar 5 memperlihatkan penempatan elemen struktur di daerah sendi plastis yang dilarang oleh ketentuan ini. Pada zona terlindung (bagian balok mulai dari muka kolom sampai dengan ujung penampang balok tereduksi yang terjauh dari muka kolom), pengekang lateral tambahan untuk sayap bagian atas dan bawah balok tidak diperlukan bila terdapat pelat beton struktural yang terhubung dengan balok melalui shear connector berjarak maksimum 300 mm. Gambar 5. Penempatan elemen struktur di daerah sendi plastis balok yang dilarang. 4. PERSYARATAN KOLOM Kolom penopang balok PBT harus memenuhi ketentuan sebagai berikut: Kolom harus berupa profil gilas atau penampang tersusun yang memenuhi syarat Pasal 2.3 Bagian Ketiga SNI xx, dengan seri tinggi penampang maksimum 920mm, tanpa pembatasan berat per satuan panjang dan persyaratan tambahan mengenai ketebalan sayapnya. Dimensi kolom king-cross tidak boleh melebihi tinggi dan lebar penampang profil gilas. Dimensi kolom boks tersusun atau boks WF tidak boleh melebihi 610 mm bila merupakan bagian dari rangka momen ortogonal. Balok PBT harus tersambung ke sayap kolom. Rasio lebar/tebal untuk sayap dan badan kolom harus memenuhi persyaratan SNI Ketentuan Seismik untuk Bangunan Gedung Baja Struktural. S-76 KoNTekS 6

5 Kebutuhan akan pengekang lateral kolom harus memenuhi persyaratan SNI Ketentuan Seismik untuk Bangunan Gedung Baja Struktural. 5. PERSYARATAN HUBUNGAN KOLOM-BALOK Menurut Pasal 5.4 Bagian Ketiga SNI xx, sambungan balok ke kolom harus memenuhi persyaratan sebagai berikut: Zona panel harus memenuhi persyaratan SNI Ketentuan Seismik untuk Bangunan Gedung Baja Struktural. Rasio momen kolom-balok harus memenuhi ketentuan sebagai berikut: a. Pada sistem Rangka Momen Khusus, rasio momen kolom-balok harus memenuhi persyaratan SNI Ketentuan Seismik untuk Bangunan Gedung Baja Struktural. Nilai ΣM* pb harus diambil sama dengan Σ(M pr + M uv ), dengan M pr dihitung menurut Persamaan 5.8-5, dan M uv = momen tambahan akibat amplifikasi geser dari pusat penampang balok tereduksi ke sumbu kolom. M uv = V RBS (a + b/2 + d c /2), dengan V RBS = geser pada pusat penampang balok tereduksi. b. Pada sistem Rangka Momen Menengah, rasio momen kolom-balok harus memenuhi persyaratan SNI Ketentuan Seismik untuk Bangunan Gedung Baja Struktural. 6. PERSYARATAN LAS SAYAP BALOK KE SAYAP KOLOM Sambungan sayap balok ke sayap kolom diatur dalam Pasal 5.5 Bagian Ketiga SNI xx, harus memenuhi persyaratan berikut: Sayap balok harus dilas ke sayap kolom dengan menggunakan las tumpul penetrasi penuh yang memenuhi persyaratan las kritis perlu yang disyaratkan dalam SNI Ketentuan Seismik untuk Bangunan Gedung Baja Struktural. Geometri lubang akses las harus mengikuti persyaratan SNI Spesifikasi untuk Bangunan Gedung Baja Struktural. 7. PERSYARATAN SAMBUNGAN BADAN BALOK KE SAYAP KOLOM Seperti yang diatur dalam Pasal 5.6 Bagian Ketiga SNI xx, sambungan badan balok ke sayap kolom harus memenuhi persyaratan berikut: Kekuatan geser perlu sambungan badan balok harus ditentukan menurut Persamaan Baik pada sistem Rangka Momen Khusus (RMK) maupun pada sistem Rangka Momen Menengah (RMM), badan balok harus dilas ke sayap kolom menggunakan las tumpul penetrasi penuh mulai dari lubang akses las atas sampai dengan lubang akses las bawah dengan pelat geser sebagai backing. Ketebalan pelat geser minimum10 mm. Adanya lubang baut pada badan balok untuk keperluan ereksi masih diizinkan. Namun demikian, untuk RMM, sambungkan badan balok ke sayap kolom boleh berupa sambungan geser pelat tunggal berbaut yang dirancang sebagai sambungan slip-kritis memenuhi SNI Spesifikasi untuk Bangunan Gedung Baja Struktural. Kekuatan geser desain sambungan geser pelat tunggal harus ditentukan berdasarkan pada pelelehan geser penampang bruto dan pada keruntuhan geser penampang neto. Pelat harus dilas ke sayap kolom dengan las tumpul penetrasi penuh, atau dengan las sudut dua sisi dengan ukuran minimum 0.75 ketebalan pelat. Lubang-lubang baut berslot pendek (dengan slot sejajar sayap-sayap balok) diperkenankan pada badan balok atau pada pelat, tetapi tidak pada keduanya. Pemberian gaya pratarik pada baut boleh dilakukan sebelum atau sesudah pengelasan. KoNTekS 6 S-77 Universitas Trisakti, Jakarta 1-2 November 2012

6 8. PERSYARATAN PEMOTONGAN SAYAP BALOK PBT Beberapa ketentuan yang harus diperhatikan dalam pembentukan penampang balok tereduksi, yang diatur dalam Pasal 5.7 Bagian Ketiga SNI xx, adalah sebagai berikut: Pemotongan sayap balok PBT harus dilakukan dengan menggunakan pemotongan termal agar diperoleh lengkungan yang mulus. Kekasaran permukaan hasil pemotongan termal harus maksimum 13 mikron (berdasarkan ANSI B46.1), seperti yang diukur menggunakan AWS C Sampel 4 atau suatu komparator visual serupa. Untuk memperkecil efek takik akibat transisi yang mendadak, transisi antara penampang balok tereduksi dan sayap balok yang tidak dimodifikasi harus dibundarkan dalam arah panjang sayap. Sudut pertemuan antara sisi penampang tereduksi dan bagian atas dan bagian bawah sayap harus diratakan agar tidak tajam, tetapi pembentukan chamfer atau radius minimum tidak diperlukan. Toleransi pemotongan termal adalah ± 6 mm dari garis pemotongan teoretis dan toleransi lebar sayap efektif balok pada setiap penampang adalah ± 10 mm. Ketidaksempurnaaan dalam pemotongan termal pada permukaan PBT dapat diperbaiki dengan cara digerinda bila tidak lebih dalam dari 6 mm. Daerah yang tidak sempurna harus digerinda sampai terbentuk transisi yang mulus, dan panjang total area transisi harus minimal lima kali kedalaman celuk. Bila terdapat celuk yang tajam, area tersebut harus diperiksa dengan uji partikel magnetik sesudah proses penggerindaan untuk memastikan bahwa seluruh celuk telah hilang. Penggerindaan yang mengikis PBT lebih dari 6 mm tidak diperkenankan. Celuk yang lebih dalam dari 6 mm, tetapi tidak lebih dari 12 mm, dan perbaikannya melalui proses penggerindaan yang mengikis PBT melebihi toleransi, dapat diperbaiki dengan pengelasan. Celuk harus dihilangkan dan diratakan agar menghasilkan suatu radius root minimum 6 mm untuk persiapan pengelasan. Area perbaikan harus dipanaskan dulu sampai temperatur minimum dengan nilai terbesar antara 65 C atau seperti yang disyaratkan dalam AWS D1.1/D1.1M, yang diukur pada area perbaikan las. Celuk yang lebih dalam dari 12 mm, hanya boleh diperbaiki dengan suatu metode yang disetujui oleh ahli struktur penanggung jawab. 9. PROSEDUR PERANCANGAN BALOK PBT Prosedur perancangan balok PBT yang ditetapkan dalam Pasal 5.8 Bagian Ketiga SNI xx terdiri dari 11 langkah berikut ini: 1) Dimensi penampang balok, kolom dan PBT ditetapkan dengan ketentuan sebagai berikut: dengan b bf a b c d 0,5b bf a 0,75b bf (1) 0,65d b 0,85d (2) 0,1b bf c 0,25b bf (3) = lebar sayap balok (mm) = jarak horizontal dari muka sayap kolom ke awal pemotongan PBT (mm) = panjang pemotongan PBT (mm) = kedalaman pemotongan pada pusat penampang balok tereduksi (mm) = tinggi penampang balok (mm) Lakukan pemeriksaan bahwa balok dan kolom memenuhi syarat kekuatan untuk semua kombinasi pembebanan dan simpangan antar tingkat rangka memenuhi persyaratan peraturan bangunan yang berlaku. Untuk memperhitungkan efek reduksi sayap balok sampai dengan 50%, simpangan elastis efektif boleh dihitung dengan mengalikan simpangan elastis berdasarkan penampang balok bruto dengan nilai 1.1. Diperbolehkan untuk melakukan interpolasi linier untuk nilai reduksi yang lebih kecil dari reduksi lebar balok. S-78 KoNTekS 6

7 2) Modulus penampang plastis pada pusat penampang balok tereduksi dihitung menurut formula: Z RBS = Z x 2ct bf (d t bf ) (4) dengan Z RBS = modulus penampang plastis pada pusat penampang balok tereduksi (mm 3 ) Z x = modulus penampang plastis terhadap sumbu-x, untuk penampang balok penuh (mm 3 ) t bf = ketebalan sayap balok (mm) 3) Momen maksimum yang mungkin terjadi, M pr pada pusat penampang balok tereduksi dihitung dengan M pr = C pr R y F y Z RBS (5) 4) Gaya geser pada pusat penampang balok tereduksi di setiap ujung balok dihitung melalui diagram free body dari bagian balok antara pusat penampang balok tereduksi. Diasumsikan momen pada pusat setiap penampang balok tereduksi adalah M pr dan termasuk beban gravitasi yang bekerja pada balok berdasarkan kombinasi beban 1,2D + f 1 L + 0,2S, dimana f 1 adalah faktor beban ditentukan oleh peraturan bangunan gedung yang berlaku untuk beban hidup, minimum 0,5. 5) Momen maksimum yang mungkin terjadi pada muka kolom dihitung dari diagram free body segmen balok antara pusat penampang balok tereduksi dan muka kolom. M f = M pr + V RBS S h (6) dengan M f = momen maksimum yang mungkin terjadi pada muka kolom (N-mm) S h = jarak dari muka kolom ke sendi plastis (mm) V RBS = terbesar dari dua nilai gaya geser pada pusat penampang balok tereduksi pada setiap ujung balok (N) 6) Momen plastis balok berdasarkan tegangan leleh ekspektasi dihitung dengan M pe = R y F y Z x (7) 7) Kekuatan lentur balok pada muka kolom harus memenuhi M f φ M d pe (8) 8) Kekuatan geser yang disyaratkan dari balok dan sambungan badan balok-ke-kolom: V u = 2 M pr / L h + V gravitasi (9) dengan V u L h V gravitasi = kekuatan geser perlu dari balok dan sambungan badan balok-ke-kolom (N) = jarak antara lokasi sendi plastis (mm) = gaya geser balok yang dihasilkan dari 1,2D + f 1 L + 0,2S (dimana f 1 adalah faktor beban ditentukan oleh peraturan bangunan gedung yang berlaku untuk beban-beban hidup, minimum 0,5) (N) Kekuatan geser desain dari balok harus memenuhi Bab G SNI Spesifikasi untuk Bangunan Gedung Baja Struktural. 9) Desain sambungan badan balok-ke-kolom harus memenuhi Pasal ) Kebutuhan akan pelat penerus bilamana diperlukan harus diperiksa. 11) Hubungan kolom-balok harus memenuhi Pasal 5.4. KoNTekS 6 S-79 Universitas Trisakti, Jakarta 1-2 November 2012

8 10. KESIMPULAN Dari pemaparan di atas, dapat disimpulkan bahwa: 1. PBT menjamin terjadinya mekanisme strong column weak beam pada rangka momen struktur baja dengan memperlemah bagian balok diluar sambungan. 2. PBT menjamin keamanan pada sambungan momen balok-kolom. 3. PBT mensyaratkan pendetailan khusus yang harus diikuti untuk menjamin kehandalannya. DAFTAR PUSTAKA ANSI/AISC /358s1-11. Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL. Bonowitz, D., Youssef, N. (1995). Steel Moment Resisting Frames After Northridge Statistics on Northridge damage point to the need for probabilistic approaches to evaluation and design. Modern Steel Construction, May, hal Englehardt, M. D., Sabol, T. A., Aboutaha, R. S. Frank, K. H. (1995). Testing Connections An overview of the AISC Northridge Moment Connection Test Program. Modern Steel Construction, May, hal Iwankiw, N. R., Carter, C. J. (1996). The Dogbone: A New Idea to Chew On. Modern Steel Construction, April, hal Nelson, R. F. (1996). Proprietary Solution One remedy for special moment-resisting frame problems in the use of a system developed by MNH-SMRF. Modern Steel Construction, January, hal Sabol, T. A. (1994). Steel Damage in LA: What Went Wrong Case studies on localized steel problems in buildings affected by the Northridge Earthquake. Modern Steel Construction, June, hal SNI xx (3). Sambungan Terprakualifikasi untuk Rangka Momen Baja Khusus dan Menengah dalam Aplikasi Seismik, Badan Standarisasi National, Jakarta. Sutjipto, Suradjin. (2001). Design Concepts of Steel Structures. Simposium Asosiasi Masyarakat Baja Indonesia. Sutjipto, Suradjin. (2012). Peraturan Baja Struktural Indonesia untuk Gedung SNI xx. Seminar Himpunan Ahli Konstruksi Indonesia. Zekioglu, A., Mozaffarian, H., Chang, K. L., Uang, C. M., Noel, S. (1997). Designing After Northridge. Modern Steel Construction, March, hal S-80 KoNTekS 6